Rozprawa doktorska WPŁYW KWAŚNEGO ŁUGOWANIA RUD SIARCZKOWYCH NA ICH FLOTACJĘ

Transkrypt

1 Politechnika Wrocławska Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii Rozprawa doktorska WPŁYW KWAŚNEGO ŁUGOWANIA RUD SIARCZKOWYCH NA ICH FLOTACJĘ mgr inż. Emilia Zarudzka Promotor dr hab. inż. Andrzej Łuszczkiewicz, prof. nadzw. Wrocław 2010

2 Wpływ kwaśnego ługowania na flotację rud siarczkowych Pragnę serdecznie podziękować promotorowi Panu prof. dr. hab. inż. Andrzejowi Łuszczkiewiczowi za cenne wskazówki i wsparcie naukowe w czasie realizacji pracy. Wyrazy podziękowania kieruję również do Pana dr. Antoniego Muszera za wykonanie analiz mineralogicznych i Pana dr. inż. Tomasza Chmielewskiego za cenne wskazówki oraz dyskusje podczas opracowania wyników. Dziękuję również koleżankom i kolegom z Zakładu Przeróbki Kopalin i Odpadów za życzliwość i pomoc w czasie realizacji niniejszej pracy. Dziękuję również moim najbliższym za okazane wsparcie i cierpliwość.

3 Spis treści I. WPROWADZENIE I CEL PRACY... 5 II. CZĘŚĆ TEORETYCZNA Wzbogacanie flotacyjne Wstęp Kinetyka procesu Odczynniki flotacyjne Flotacja stałych produktów przeróbki chemicznej Fizykochemiczne właściwości minerałów siarczkowych Wpływ ph na flotację minerałów siarczkowych Wpływ potencjału redox na flotajcę minerałów siarczkowych Wpływ procesów elektrochemicznych na flotację Hydrofobowość minerałów Hydrofobowość i flotowalność minerałów siarczkowych Uwalnianie minerałów ze zrostów Technologie hydrometalurgiczne przeróbki rud miedzi Procesy ługowania w układach technologicznych flotacji Przegląd technologii łączących flotację z operacjami ługowania Technologia ługowania składników węglanowych z rud miedzi LGOM Wpływ ługowania półproduktów flotacji na środowisko Charakterystyka mineralogiczno-petrograficzna i technologiczna krajowych rud miedzi Podsumowanie części literaturowej III. CZĘŚĆ BADAWCZA Materiały do badań Metodyka badań Eksperymenty flotacyjne Analizy granulometryczne Określenie zawartości minerałów węglanowych Metodyka analiz chemicznych i mineralogicznych Omówienie wyników Badania kinetyki roztwarzania węglanów Wpływ rodzaju gazu na potencjał redox i ph zawiesiny flotacyjnej Eksperymety flotacyjne z zastosowaniem chemicznej obróbki koncentratu z flotacji głównej (seria I eksperymentów) Eksperymenty flotacyjne z użyciem różnych gazów (seria II eksperymentow) Eksperymenty flotacyjne z chemiczną obróbką półproduktu z I czyszczenia (III seria eksperymentów) Eksperymenty flotacji półproduktu z I czyszczenia z użyciem argonu i ditlenku węgla (IV seria eksperymentów) Ocena wpływu potencjału redox na proces wzbogacania

4 Wpływ kwaśnego ługowania na flotację rud siarczkowych IV. PODSUMOWANIE I WNIOSKI V. LITERATURA

5 Emilia Zarudzka I. WPROWADZENIE I CEL PRACY Złoża rud siarczkowych Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego (LGOM) są jednym z najważniejszych naturalnych bogactw naszego kraju. Rudy te są eksploatowane przez jedynego w Polsce producenta miedzi KGHM Polska Miedź S.A. Przedsiębiorstwo to jest największym producentem miedzi ze źródeł pierwotnych w Europie, a siódmym na świecie oraz drugim światowym producentem srebra (KGHM 2010). Popyt na miedź, poziom jej cen i metali jej towarzyszących, a także jednoznaczne prognozy wyczerpania się bogatych naturalnych zasobów, zmusza przemysł górniczy do sięgania po złoża coraz uboższe i trudniej wzbogacalne, których wcześniej nie eksploatowano z powodów ekonomicznych. Jednym z głównych czynników ekonomicznych decydujących o podjęciu eksploatacji ubogich złóż metali są koszty operacyjne wzbogacania rud, tym wyższe, im te rudy są uboższe i trudniej wzbogacalne. Stwarza to konieczność doskonalenia standardowych technologii przeróbki takich rud, lub poszukiwania nowych metod, często wymagających nowych kierunków badawczych spełniających inne kryteria przetwarzania surowców. Nowe kierunki badawcze powinny zmierzać do stworzenia warunków, które pozwolą zarówno na osiągnięcie najwyższego stopienia odzysku cennych składników, a także umożliwią kompleksowe wykorzystanie możliwie największej ilości innych, najlepiej wszystkich składników tych surowców. Celem poszukiwania nowych metod, obok minimalizacji strat metali w odpadach, jest zatem jak najszersze wykorzystanie składników rud, co w efekcie doprowadzi do zmniejszenia niekorzystnych skutków ekologicznych na wszystkich etapach przetwarzania surowca na produkty finalne oraz umożliwi racjonalne wykorzystanie nieodnawialnych zasobów naszej planety. Ubożenie eksploatowanych złóż rud metali wiąże się często ze wzrostem niejednorodności przerabianego urobku. Zmienne parametry jakościowo-ilościowe wydobywanych, coraz uboższych kopalin wymagają opracowania elastycznego procesu technologicznego, co stymuluje wprowadzanie zaawansowanych technicznie i ekonomicznie metod prowadzenia oraz kontroli tych procesów (Batterham 2008). Według van Deventer i Lukey (2003), przy wprowadzaniu zaawansowanych technicznie rozwiązań pozyskiwania surowców, muszą być uwzględnione szeroko rozumiane i dalekosiężne skutki ekologiczne, zgodne z zasadami zrównoważonego rozwoju przy korzystaniu z zasobów przyrody. Problemy wyczerpywania się bogatych złóż metali i konieczność pozyskiwania coraz trudniejszych technologicznie surowców, dotyczy także krajowych rud miedzi. Jedną z obiektywnych przyczyn problemów technologicznych przeróbki rud miedzi ze złóż LGOM jest ich 5

6 Wpływ kwaśnego ługowania na flotację rud siarczkowych osadowy charakter i złożony skład litologiczny oraz mineralogiczny (Konieczny i in. 2009). Obecność trzech frakcji litologicznych w wydobywanej rudzie: piaskowcowej, węglanowej i łupkowej, znacznie różniących się składem chemicznym, charakterem mineralizacji i wzbogacalnością, zmusza do stosowania skomplikowanych układów wzbogacania oraz jest przyczyną wysokich kosztów przeróbki oraz trudności w utrzymaniu wskaźników flotacji na pożądanym ekonomicznie poziomie. Trudności z utrzymaniem wskaźników technologicznych tłumaczone są znaczącym i rosnącym udziałem najtrudniej wzbogacalnych frakcji łupkowoilastych oraz węglanowych w wydobywanych rudach. W obecnych rozwiązaniach technologii, powoduje to niekorzystne przeciążanie obiegów wzbogacania produktów pośrednich, co przy kłopotach z uwalnianiem z nich bardzo drobnych wtrąceń siarczków, ma znaczący udział w powstawaniu strat metali w odpadach. Straty te w przypadku miedzi szacowane są na około tys. Mg rocznie, a w przypadku srebra rzędu 200 Mg/rok. Przy bardzo wysokich kosztach poniesionych na wydobycie na powierzchnię każdej tony metalu w rudzie (koszty te szacowane są na około 2/3 całkowitych kosztów wytwarzania tych metali), stan taki trudny jest do zaakceptowania i powinien stać jednym z ważniejszych problemów do rozwiązania w najbliższej przyszłości (Łuszczkiewicz i Wieniewski 2006). Jednym z perspektywicznych kierunków w wykorzystaniu i przeróbce trudnych technologicznie surowców jest wprowadzenie do standardowych układów fizycznych procesów wzbogacania, obróbki chemicznej nadaw lub produktów i półproduktów powstających w trakcie tych procesów. Iwasaki (1976) oraz Iwasaki i Prasad (1989) dokonując szczegółowego przeglądu stosowanych w świecie metod przeróbki trudno wzbogacalnych rud metali, stwierdzają, że kombinowane procesy łączące standardowe metody przeróbcze z metodami metalurgii chemicznej, tj. obróbką lub przeróbką chemiczną, będą stosowane w nadchodzących latach w coraz szerszym zakresie, a w 2100 r. metody chemiczne zdominują przeróbkę surowców mineralnych. Jak dowodzi Cramer (2003), metody hydrometalurgiczne charakteryzują się znacznie niższymi kosztami produkcji metali, niż klasyczne metody przeróbczopirometalurgiczne, co ma szczególne odzwierciedlenie w sytuacjach bessy na rynkach metali. Niższe koszty przeróbki mają również istotne znaczenie w przypadku konieczności przetwarzania coraz trudniejszych w wykorzystywaniu surowców pierwotnych, a także produktów (surowców) odpadowych i wtórnych, pochodzących głównie z przemysłu górniczego i metalurgicznego. Ich wykorzystanie wymaga opracowania nowych i bardziej zaawansowanych technicznie metod przeróbki niż metody, którymi je wcześniej wytworzono. Nagromadzenia odpadów mineralnych, będących odpadami górniczymi, lub pochodzącymi z przemysłów przetwarzających surowce mineralne, coraz częściej zyskują status złóż antropogenicznych, 6

7 Emilia Zarudzka których kategoryzacja i wykorzystanie podlegają często podobnym, jak kopaliny pierwotne, przepisom prawa. Aktualne polskie Prawo geologiczne i górnicze nie przewiduje jednak pojęcia złóż antropogenicznych i wtórnych (Prawo geologiczne i górnicze, 1994, 2008). Obecnie w naszym kraju zagadnienia te podlegają przepisom o działalności gospodarczej i przepisom Rozporządzenia Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa (Uberman i Uberman 2007). Jak dowodzą cytowani wcześniej Iwasaki i Prasad (1989), wprowadzanie do procesów o charakterze fizycznym, operacji przeróbki chemicznej, lub odwrotnie operacji fizycznych do procesów chemicznych prowadzi do uproszczenia technologii i musi skutkować obniżką szeroko rozumianych kosztów przeróbki. Dokonując podobnego przeglądu metod rud trudno wzbogacalnych, Tong i Jiayong (1991) przedstawili podstawowe kryteria wyboru kombinowanych technologii przeróbki coraz gorszych jakościowo surowców, po które współczesna cywilizacja jest i będzie zmuszona sięgać. Najczęściej opisywane w literaturze są technologie flotacyjne, do których wprowadzono obróbkę chemiczną jako operację pomocniczą lub wspomagającą, polegają na wyługowaniu części składników trudno wzbogacalnych, lub w ogóle niemożliwych do wzbogacenia metodami fizycznymi. Przykłady zastosowania obróbki chemicznej nadaw flotacyjnych, lub produktów pośrednich wewnątrz układów technologicznych flotacji rud metali nieżelaznych, są znane i opisywane od połowy ubiegłego wieku. W praktyce, metody te stosowane są dość często, jednak dotyczące ich szczegóły rzadko są ujawniane w dostępnych opracowaniach lub strzeżone patentami. W większości powszechnie znanych, klasycznych podręczników i monografii traktujących o przeróbce kopalin (np. Kelly i Spottiswood 1985, Fuerstenau i Han 2003, Sutherland i Wark 1955, Pryor 1965, Taggart 1956) i hydrometalurgii (Habashi 1998, Gupta 2003), trudno jednak znaleźć opisy takich technologii, a nawet nie ma o nich wzmianek. Brak także wzmianki na ten temat w szerokim opisie historii flotacji i jej milowych kamieni opublikowanej w monografii po ważnej konferencji podsumowującej 100-lecie flotacji (Fuerstenau 2007). Z podręczników monograficznych, jedynie Gaudin (1957), Glembockij i in. (1961) oraz Mitrofanov i in. (1984) podają przykłady takich technologii. Również jest wzmianka o takim rozwiązaniu, podana w podręczniku Willsa (2006). We wcześniejszym wydaniu tej książki autor szerzej omówił przykład takiej technologii (Wills 1988). Przytoczone fakty wyraźnie wskazują, że ten kierunek rozwiązań technologicznych łączący procesy o charakterze fizycznym z typowo chemicznymi, jest mało znany wśród specjalistów z zakresu wykorzystania surowców mineralnych. Jak podkreślają Bergh i in. (2001), w trakcie dynamicznego rozwoju hydrometalurgii, wiele jej rozwiązań ulega w stosukowo 7

8 Wpływ kwaśnego ługowania na flotację rud siarczkowych krótkim czasie dynamicznym zmianom koncepcyjnym. Wiąże się to z szeregiem trudnych i często nie do końca rozwiązanych problemów materiałowych, techniczno-ruchowych, zwłaszcza instrumentalnych w zakresie kontroli procesu, którym często towarzyszą braki wiedzy operacyjnej w nowych technologiach, zarówno typowo hydrometalurgicznych oraz jak można przypuszczać, także flotacyjno-chemicznych. Większość opisanych technologii chemiczno-flotacyjnych i patentów z nimi związanych, dotyczy wzbogacania częściowo utlenionych rud siarczkowych miedzi. Celem części chemicznej w tych technologiach jest wyługowanie kwasem siarkowym utlenionych nośników metali i odsłonięcie lub udostępnienie powierzchni minerałów siarczkowych dla typowych kolektorów tych minerałów i tym sposobem umożliwienie ich standardowej flotacji. Roztwory z operacji ługowania kierowane są do oddzielnego procesu odzysku metali. Zagadnienia te szerzej opisano w części literaturowej rozprawy. Krajowe rudy metali nieżelaznych zarówno rudy miedzi jak i cynkowo-ołowiowe należą do rud charakteryzujących się drobnoziarnistą mineralizacją i mają jedną wspólną cechę część skały płonnej stanowią minerały węglanowe przeważnie typu dolomitowego (Rajczyk 2000). W obu tych różnych rudach składniki węglanowe stwarzają różne problemy, jednak mające to samo źródło trudności z uwalnianiem minerałów kruszcowych z matrycy płonnych minerałów węglanowych. W przeróbce rud cynkowo-ołowiowych trudnym problemem jest usunięcie resztek minerałów węglanowych zwłaszcza nośników magnezu z koncentratów sfalerytowych (Sanak-Rydlewska i Małysa 1996). W końcowych koncentratach sfalerytowych pozostają one w postaci zrostów z minerałami kruszcowymi. W rudach miedzi natomiast, ze względu na złożone właściwości mineralogiczne części rud, zwłaszcza bardzo drobnoziarnistej mineralizacji miedziowej węglanowo-łupkowych odmian litologicznych rudy, technologia boryka się z problemem uwolnienia minerałów kruszcowych (Łuszczkiewicz 2000a i 2000b). Problemów tych w całej historii wykorzystania rud miedzi z LGOM praktycznie nie podejmowano, pomimo, że wiadomo od dawna, że większa część strat metali w odpadach flotacyjnych związana jest w najdrobniejszych klasach ziarnowych <0,04 mm i ogólnie ponad 50% kruszców w odpadach flotacyjnych zamknięta jest w zrostach, głównie (70-90%) o charakterze węglanowo-łupkowym (Łuszczkiewicz i in. 2006). W Polsce, w latach 90. ubiegłego wieku prowadzono szerokie badania nad wprowadzeniem obróbki kwasem siarkowym koncentratów sfalerytowych w układzie flotacyjnym w zakładach przeróbki rud cynkowo ołowiowych w Zakładach Górniczych Trzebionka w Trzebini i Zakładach Górniczych Bolesław w Bukownie koło Olkusza (Borkowski i in. 1992, Małysa i Sanak-Rydlewska 1993, Sanak-Rydlewska i Małysa 1996). Badany proces 8

9 Emilia Zarudzka ługowania miał na celu zmniejszenie drogą chemiczno-flotacyjną zawartości magnezu, który jest składnikiem niepożądanym w koncentratach sfalerytowych. Pozytywne wyniki tych badań zostały wdrożone w skali przemysłowej z dużym sukcesem technologicznym i ekonomicznym (Cichy i in. 2007). Nowym rozwiązaniem w krajowym przemyśle miedziowym było zastosowanie w 2005 r. procesu ługowania kwasem siarkowym węglanowych produktów pośrednich w układach flotacji rud miedzi w KGHM Polska Miedź S.A., w Zakładzie Wzbogacania Rud (ZWR) Polkowice. Proces ługowania składników węglanowych w układach flotacji jest ukierunkowany głównie na zwiększenie stopnia uwolnienia minerałów siarczkowych miedzi w trudno wzbogacalnych półproduktach krążących w układach technologicznych. Jest to podstawowa cecha tego rozwiązania. Badana od połowy lat 90. koncepcja technologii wzbogacania, obejmująca obróbkę chemiczną i flotację produktów wzbogacania rud miedzi w zakładach przeróbczych KGHM Polska Miedź S.A. (Łuszczkiewicz i in. 1998, 2000), została wdrożona eksperymentalnie w skali przemysłowej. Zastosowane rozwiązanie, będące nowatorskim i unikalnym w skali światowego przemysłu surowcowego, pozwoliło na znaczne podwyższenie uzysku miedzi i srebra w końcowych koncentratach flotacyjnych. Dodatkowym elementem tego procesu jest znaczące ekonomiczne rozwiązanie uciążliwego problemu utylizacji kwasu siarkowego produkowanego przez huty miedzi, na który często praktycznie nie ma zbytu (Śmieszek i in. 2002). Wprowadzenie opisanego rozwiązania spowodowało jednak szereg nowych problemów technicznych w przebiegu procesów flotacji, których nie przewidziano w trakcie wcześniejszych badań. Badania, na podstawie których stworzono podstawy tego procesu, z założenia miały głównie charakter technologiczny i nie obejmowały w ogóle badań o charakterze podstawowym. Materiałem do badań były wyłącznie naturalne zawiesiny wybranych produktów wzbogacania, pobierane z pracujących układów technologicznych. Wyniki eksperymentów z tymi produktami były bezpośrednio wykorzystane do projektowania układu przemysłowego. Po uruchomieniu technologii w skali przemysłowej stwierdzono szereg nowych zjawisk, jak pojawienie się silnego pienienia zawiesin po ługowaniu, zmiennej selektywności operacji flotacji, obecność nowych faz w obiegach flotacji gipsu i ditlenku węgla, oraz zmiany w składzie jonowym zawiesin flotacyjnych. Wymienione tu czynniki, wpływające na przebieg procesów w całym układzie technologicznym, mają niewątpliwie swoje podłoże w słabo dotychczas zbadanych zjawiskach podstawowych. Brak badań o charakterze podstawowym w zakresie zjawisk flotacji w warunkach istotnych zmian właściwości nadawy do procesu, jako skutek chemicznego rozkładu minerałów węglanowych, skłoniły autorkę tej rozprawy do podjęcia badań eksperymentalnych w kierun- 9

10 Wpływ kwaśnego ługowania na flotację rud siarczkowych ku określenia wpływu wybranych czynników związanych z wprowadzeniem kwasu siarkowego do środowiska flotacji rud miedzi. Celem rozprawy jest ocena wpływu ługowania kwasem siarkowym części składników płonnych zawartych w rudzie miedzi, na zjawiska związane z procesem flotacji, a w szczególności określenie warunków utleniająco-redukcyjnych oraz ph, towarzyszących chemicznemu uwalnianiu i następnie wzbogacaniu minerałów miedzionośnych. Ważnym celem rozprawy było określenie wzbogacalności produktów wzbogacania rudy miedzi poddanych obróbce chemicznej kwasem siarkowym w warunkach niestechiometrycznego rozkładu składników węglanowych rudy, jako procesu uwalniania minerałów kruszcowych. Podjęto także próbę prześledzenia zachowania się głównych minerałów kruszcowych w procesie ługowania a następnie flotacji. Badania prowadzono w skali laboratoryjnej wyłącznie z użyciem próbek rudy miedzi pobieranych z bieżącej produkcji, z wybranego rejonu wydobycia. Operacje ługowania i flotacji wykonywano w ściśle zdefiniowanych warunkach, dla wybranych produktów procesu, które wobec charakteru wcześniejszych badań, można określić jako modelowe. Dotychczas bowiem, nikt nie wykonywał badań procesów chemiczno-flotacyjnych (kwaśnego ługowania) dla nadawy od początku przygotowanej w laboratorium, w zdefiniowanych warunkach. Wszystkie wcześniejsze badania laboratoryjne, które doprowadziły do powstania założeń technologicznych, prowadzono z użyciem zawiesin technologicznych pobieranych z pracujących obiegów technologicznych, z natury charakteryzujących się niezdefiniowanymi i zmiennymi właściwościami fizykochemicznymi i zmiennym składem mineralogicznym. Prezentowane w rozprawie badania, ściśle wiążą się z opisaną tu w zarysie, koncepcją technologii wzbogacania obejmującą obróbkę chemiczną i flotację produktów wzbogacania rud miedzi krajowych w zakładach przeróbczych należących do KGHM Polska Miedź S.A. Jak wcześniej wspomniano, zagadnienia związane z technologią chemiczno-flotacyjną są mało znane wśród specjalistów z zakresu przeróbki kopalin. Należy tu także podkreślić, że o ile wiele aspektów standardowej flotacji naturalnych substancji mineralnych jest przedmiotem bardzo szeroko opisanych i niezwykle dogłębnych badań podstawowych z zakresu fizykochemii, to praktycznie nie istnieje literatura o charakterze podstawowym dotycząca fizykochemii flotacji tych substancji, jako stałej pozostałości po procesach ługowania, np. najczęściej stosowanymi w hydrometalurgii czynnikami ługującymi, jakimi są kwasy nieorganiczne. 10

11 Emilia Zarudzka Praca składa się z 11 rozdziałów. W pierwszych ośmiu rozdziałach dokonano przeglądu literatury związanej z tematem rozprawy. W następnych trzech rozdziałach opisano wyniki części badawczej rozprawy. W rozdziale 1. omówiono ważniejsze zagadnienia związane z podstawami procesu flotacji. Omówiono kinetykę procesu, zastosowanie odczynników flotacyjnych oraz zagadnienia związane z procesami flotacji stałych produktów (pozostałości) po operacjach hydrometalurgicznych. W rozdziale 2. omówiono wpływ potencjału utleniająco-redukcyjnego oraz ph na flotację minerałów siarczkowych. W rozdziale 3. opisano zagadnienia związane z hydrofobowością minerałów siarczkowych. W rozdziale 4. dokonano przeglądu metod uwalniania kruszców ze skały płonnej, ze szczególnym podkreśleniem niekonwencjonalnych metod uwalniania chemicznego. Rozdział 5. przeznaczono na krótkie scharakteryzowanie głównych trendów w technologiach hydrometalurgicznych związanych, przede wszystkim z przeróbką rud miedzi. Rozdział 6. został poświęcony przeglądowi literatury dotyczącej wykorzystania procesów ługowania w układach technologicznych flotacji. W rozdziale tym szeroko omówiono typowe technologie chemiczno-flotacyjne, opisane w dostępnej literaturze. Rozdział ten traktować można jako historyczny przegląd zastosowania metod chemiczno-flotacyjnych. W rozdziale 7. przedstawiono charakterystykę krajowych rud miedzi, głównie z punktu widzenia ich właściwości mineralogiczno-petrograficznych i technologicznych. W rozdziale 8. krótko podsumowano zagadnienia opisane w części literaturowej rozprawy. Część doświadczalna rozprawy rozpoczyna się kolejnym, 9. rozdziałem, w którym omówiono sposób pobierania próbek rudy oraz przygotowania materiału do badań. W rozdziale 10. szczegółowo opisano metodykę badań dla poszczególnych eksperymentów. Najważniejszym rozdziałem rozprawy jest rozdział 11. przedstawiający wyniki badań oraz ich interpretację. W ostatnim rozdziale pracy przedstawiono wnioski wynikające z przeprowadzonych eksperymentów. Przyjęta koncepcja części badawczej rozprawy obejmowała badania operacji chemicznoflotacyjnych dwóch rodzajów produktów flotacyjnych. Pierwszy z nich reprezentował frakcję 11

12 Wpływ kwaśnego ługowania na flotację rud siarczkowych łatwo wzbogacaną wydzieloną z rudy, drugi przedstawiał frakcję trudno wzbogacaną. Obie te frakcje mają swoje odpowiedniki w rzeczywistym procesie technologicznym. Praca została zrealizowana w ramach projektu badawczego promotorskiego nr 1731 T oraz Projektu współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej jako element Europejskiego Funduszu Społecznego GRANT WSPARCIE PRAC BADAWCZYCH POPRZEZ STYPENDIA NAUKOWE DLA DOKTORANTÓW nr DG G

13 Emilia Zarudzka II. CZĘŚĆ TEORETYCZNA 1. Wzbogacanie flotacyjne 1.1. Wstęp Wzbogacanie flotacyjne jest jedną z fizykochemicznych metod rozdziału drobno uziarnionych minerałów. Podstawowym warunkiem rozdziału każdą metodą jest wyswobodzenie rozdzielanych minerałów ze skał w postaci wolnych, uwolnionych z masy skalnej ziarn. Jak każda metoda rozdziału, flotacja może mieć zastosowanie jedynie w określonych granicach wielkości ziarn. Granice te, w zależności od właściwości fizycznych i fizykochemicznych ziarn, szacowane są w przedziale od dziesiątych części milimetra do pojedynczych mikrometrów. Na proces flotacji składa się wiele fizycznych, hydrodynamicznych i fizykochemicznych mikroprocesów, zachodzących jednocześnie w czasie i przestrzeni (Schulze 1992, 1993). Podstawową właściwością minerałów, pozwalającą na ich rozdział flotacyjny, są różnice w zwilżalności ich powierzchni. Minerały hydrofobowe, stanowiące fazę stałą w zawiesinie wodnej, łatwo przyłączają się do pęcherzyka gazu i w postaci agregatu ziarno-pęcherzyk wynoszone są na powierzchnię zawiesiny, tworząc warstwę piany, która zbierana jest jako pianowy koncentrat flotacyjny. Do ziarn hydrofilowych, doskonale zwilżających się wodą, pęcherzyki gazu nie mogą się przyłączyć i ziarna te toną opadając na dno komory. We flotacji, podobnie jak w innych procesach wzbogacania, otrzymuje się najczęściej dwa produkty: koncentrat, do którego trafiają w przewadze minerały użyteczne oraz odpad, zawierający w przewadze składniki płonne. Koncentrat flotacyjny stanowi nadawę do dalszej przeróbki np. metalurgicznej w przypadku rud metali. Odpad natomiast deponowany jest na składowisku odpadów flotacyjnych, lub w rozwiązaniach bardziej zaawansowanych, jest przedmiotem dalszej przeróbki i wykorzystania, lub składowany jest w nieczynnych wyrobiskach górniczych, z których wcześniej wydobyto rudę. Wraz z minerałami skały płonnej do odpadów przechodzą w pewnej ilości minerały użyteczne, które z różnych powodów nie wyflotowały do koncentratu. Główne naturalne przyczyny strat minerałów użytecznych w odpadach, najczęściej związane są z niedokładnym ich uwolnieniem ze skały płonnej, lub z niesprzyjającymi flotacji zmianami właściwości powierzchniowych powstałych w czasie przebywania w zawiesinie flotacyjnej. O skuteczności procesów flotacji decydują także konstrukcja i obsługa urządzeń, w których dokonuje się wzbogacanie (Wills 2006, Fuerstenau i Han 2003). 13

14 Wpływ kwaśnego ługowania na flotację rud siarczkowych Drzymała (2001) analizując różne modele flotacji rozwijane przez Schulzego (1984, 1992, 1993), Nguyena i in. (1997), Mao i Yoona (1997), Varbanova i in. (1993) oraz Rubinsteina i Samygina (1998), wyróżnił trzy wspólne cechy opisów tego procesu: 1. Założenie istnienia trzech podstawowych podprocesów flotacji: a) zderzenie się pęcherzyka powietrza z ziarnem mineralnym (kolizja), b) utworzenie pomiędzy pęcherzykiem powietrza a ziarnem mineralnym cienkiego filmu, jego zerwanie po osiągnięciu grubości krytycznej (h kryt ), a następnie połączenie się ziarna mineralnego z pęcherzykiem powietrza i utworzenie kąta zwilżania (adhezja), c) utworzenie stabilnego agregatu ziarno mineralne pęcherzyk powietrza. 2. Powiązanie prawdopodobieństwa z kinetyką procesu. W modelach tych zakłada się, że jest to proces spełniający kryteria dla równań kinetycznych pierwszego rzędu. 3. Powiązanie prawdopodobieństw wymienionych trzech podprocesów z różnymi parametrami flotacji. Przyczepienie się ziarna mineralnego do pęcherzyka gazu, tj. adhezja, może nastąpić w wyniku zderzenia oraz w wyniku ocierania się ziarna o pęcherzyk. Prawdopodobieństwo takiego połączenia zależy od rodzaju zderzenia, tzn. należy brać pod uwagę dwie możliwości, prawdopodobieństwo adhezji przez zderzenie (P ac ) lub prawdopodobieństwo przez poślizg (P asl ). Czynniki, które decydują o formie kolizji nie zostały do końca wyjaśnione. Schulze (1992, 1993) stwierdza, że w zderzeniu powodującym deformację pęcherzyka biorą udział duże i ciężkie ziarna poruszające się prostopadle do powierzchni pęcherzyka, natomiast w kontakcie przez poślizg uczestniczą małe i lekkie ziarna poruszające się z małą prędkością. Drogę poruszania się ziarna mineralnego w wyniku zderzenia lub poślizgu przedstawiono na rys

15 Emilia Zarudzka Rys Tor poruszania się ziarna mineralnego w procesie flotacji w wyniku zderzenia i poślizgu, r c promień kolizji, r b promień pęcherzyka, r p promień ziarna mineralnego, φ - kąt zderzenia (Schulze 1992, 1993) Prawdopodobieństwo adhezji w wyniku poślizgu zależy od wielu czynników: a) charakteru przepływu pęcherzyków gazu, czy jest to przepływ turbulentny czy laminarny, b) jednorodności powierzchni pęcherzyka, c) krytycznej grubości filmu wodnego, d) rozmiarów ziarna, np. mniejsze ziarna mają większą wartość prawdopodobieństwa poślizgu. Przyczepienie się ziarna mineralnego do pęcherzyka gazu stanowi najważniejsze zdarzenie w zjawisku flotacji. Przyczepienie to określa selektywną separację pomiędzy hydrofobowymi i hydrofilowymi ziarnami mineralnymi (Nguyen i Schulze 1997) Kinetyka procesu Istnieją różne równania kinetyczne opisujące proces flotacji. We wspomnianych przez Drzymałę (2001) modelach przyjęto równanie kinetyki pierwszego rzędu w postaci (1.1.1) w której: N p stężenie ziarn flotacyjnych w jednostce objętości k stała szybkości flotacji 15

16 Wpływ kwaśnego ługowania na flotację rud siarczkowych t czas flotacji. Stałą szybkości flotacji można wyznaczyć ze wzorów podanych przez autorów wcześniej wymienionych modeli lub wyznaczyć eksperymentalnie ze zmiany uzysku ziarn w czasie według równania. (1.1.2) Gaudin (1963) określił właściwą prędkość flotacji jako (1.1.3) gdzie: c stężenie dowolnego składnika w zawiesinie wyrażone w g/dm 3 wody V objętość wody w komorze flotacyjnej r prędkość wyflotowanie użytecznego składnika w gram na jednostkę czasu. Z podanego wzoru (1.1.3) wynika, że fizyczne wymiary właściwej prędkości flotacji są odwrotnie proporcjonalne do czasu (t -1 ). Jeśli prędkość wyflotowanego składnika użytecznego wyrażona jest w gramach na minutę, to właściwa prędkość flotacji wyrażona jest w min -1. Dzięki właściwej prędkości flotacji możemy porównać zachowanie się, jak również i właściwości składników pod względem zdolności flotowania. W podanym przez Gaudina (1963) przykładzie właściwa prędkość flotacji minerałów siarczkowych jest około 150 razy większa niż kwarcu. W ocenie opisu kinetyki flotacji uwzględnia się również współczynnik mineralizacji M, opisany wzorem:. (1.1.4) Współczynnik ten określa stężenie wyflotowanego składnika w odpowietrzonym i nie odwodnionym koncentracie (C piana ) do stężenia tego samego składnika w zawiesinie (C zawiesina), z której pochodzi koncentrat. Jeśli współczynnik mineralizacji jest równy jedności wówczas składnik zachowuje się jak woda. Dla M > 1 części stałe w koncentracie są w przewadze w stosunku do wody, a dla M < 1 części stałe przechodzą w mniejszej ilości do koncentratu niż woda. Na wskaźniki kinetyki, poza wielkością, kształtem i charakterem powierzchni ziarn mineralnych, mają również wpływ odczynniki flotacyjne. Zwiększenie ilości odczynnika pia- 16

17 Emilia Zarudzka notwórczego ma mały wpływ na współczynnik mineralizacji, ale zwiększa właściwą prędkość flotacji, poprzez wpływ odczynnika na wielkość pęcherzyków gazu. Zwiększenie ilości kolektora podnosi wartość mineralizacji oraz zwiększa uzysk i właściwą prędkość flotacji (Fuerstenau i Han 2003) Odczynniki flotacyjne Odczynniki flotacyjne spełniają ważną rolę w procesie flotacji. Niektóre z nich hydrofobizują powierzchnię minerałów, a inne tworzą stabilną pianę. Pierwsze z nich, to kolektory flotacyjne (odczynniki zbierające), a drugie, to odczynniki pianotwórcze. Dzięki odczynnikom flotacyjnym możliwe jest selektywne wydzielenie (wyflotowanie) z zawiesiny określonych minerałów np. metalonośnych. We flotacji pozbawionej odczynników zbierających (flotacja bezkolektorowa) wyflotowane zostaną jedynie minerały charakteryzujące się naturalną hydrofobowością. Odczynniki zbierające, adsorbując się na powierzchni minerału zwiększają stopień ich hydrofobizacji, dzięki temu umożliwiają naturalnie słabo hydrofobowym ziarnom przyczepienie się do pęcherzyków gazu. Im bardziej hydrofobowa jest powierzchnia wzbogacanego minerału, tym łatwiejsza i silniejsza nastąpi adhezja, czyli przytwierdzenie pęcherzyka do ziarna. W technologii flotacji stosuje się wiele różnych substancji chemicznych spełniających rolę kolektorów; wybór zależy głównie od rodzaju minerałów, które chcemy rozdzielać. Najważniejszymi zbieraczami minerałów siarczkowych są ksantogeniany i aerofloaty, zaliczane do grupy kolektorów anionowych. Ksantogeniany są solami kwasów ksantogenowych, które otrzymuje się w wyniku reakcji disiarczku węgla z alkoholami nasyconymi, zawierającymi jedną grupę wodorotlenową np. alkohol etylowy, butylowy i amylowy. Ksantogeniany otrzymuje się w wyniku reakcji: (1.1.5) gdzie R oznacza grupę węglowodorową. Aerofloaty są techniczną nazwą estrów kwasu ditiofosforowego. Ksantogeniany i aerofloaty wraz z minerałami siarczkowymi i metalami rodzimymi tworzą wyjątkowy, w pewnym sensie prosty układ flotacyjny, charakteryzujący się unikalną selektywnością w stosunku do jednego typu minerałów. Oprócz naturalnie silnie hydrofobowych minerałów, wszystkie inne minerały spotykane w przyrodzie wymagają przeważnie złożonych reżimów wieloodczynni- 17

18 Wpływ kwaśnego ługowania na flotację rud siarczkowych kowych, gdyż jeden i ten sam odczynnik zbierający może być, i często jest, zbieraczem dla dwóch lub wielu rozdzielanych minerałów. Odczynniki typu ksantogenianów w zawiesinie flotacyjnej selektywnie adsorbują się tylko i wyłącznie na powierzchni minerałów siarczkowych, a wszystkie inne minerały, tworzące skałę płonną we wzbogacanej rudzie, zachowują swoją powierzchnię w stanie naturalnie hydrofilowym. W przypadku, gdy dany odczynnik zbierający może spełniać rolę kolektora dla dwóch lub więcej obecnych w zawiesinie minerałów, konieczne jest zastosowanie odpowiednich odczynników regulujących. Ich podstawowym przeznaczeniem jest stworzenie odpowiednich warunków do selektywnego działania kolektora na jeden wybrany minerał (Laskowski i Łuszczkiewicz 1989). Na podstawie wielu badań technologicznych, w układach flotacyjnych zakładów wzbogacania rud miedzi LGOM stosuje się mieszaninę ksantogenianów sodowo-etylowego (C 2 H 5 OS 2 Na) i sodowo-izobutylowego (C 4 H 9 OS 2 Na), czasami w połączeniu z innymi kolektorami, np. ditiofosforanami. Ksantogeniany są silnymi elektrolitami, produktem ich utlenienia są diksantogeniany (diksantogeny). W utlenianiu ksantogenianu do diksantogenu istotne znaczenie ma powierzchnia minerałów siarczkowych i niektóre jony w roztworze (Laskowski 1969). Powołując się na prace Leji (1963), Laskowski (1969) uznał, że współadsorbujący się diksantogen powoduje podwyższenie hydrofobowości minerałów siarczkowych, co wiąże się ze wzrostem kąta zwilżania z 60 do 80. Do niezbędnego we flotacji zdyspergowania powietrza, lub innego gazu wprowadzanego do układu flotacyjnego i następnie wytworzenia piany, stosuje się odczynniki pianotwórcze (spieniacze). Spieniacze zmniejszają wielkość pęcherzyków gazu, co jest związane ze zmniejszeniem napięcia powierzchniowego roztworu (Drzymała 2001). Cząsteczki spieniacza adsorbują się na granicy faz woda-gaz i oddziałują z cząsteczkami zbieracza adsorbowanymi na powierzchni minerału przy zderzeniu ziarn mineralnych z pęcherzykami. Piana powstaje wówczas, kiedy wokół pęcherzyków gazu tworzy się film stabilizujący takie pęcherzyki. Piana natomiast nie powstanie w czystych cieczach, ponieważ nie ma stabilności błonek cieczy pomiędzy pęcherzykami gazu (Laskowski 2005). Spieniacze, które skutecznie zmniejszają wielkość pęcherzyków wytwarzają również stabilną pianę Flotacja stałych produktów przeróbki chemicznej Produktami operacji hydrometalurgicznych są roztwory, najczęściej zawierające wyługowany składnik użyteczny, oraz stałą pozostałość po ługowaniu, zwykle stanowiącą odpad 18

19 Emilia Zarudzka końcowy. W wielu przypadkach, w wyniku procesu chemicznego powstaje nowa faza stała jako produkt zachodzących w tym procesie reakcji chemicznych. Często ma też miejsce sytuacja, gdy część składników ługowanego materiału pozostaje w pierwotnej postaci. W obu przypadkach stałe pozostałości po ługowaniu mogą być nośnikami innych składników użytecznych, które korzystnie jest wydzielić metodami fizycznymi. Ze względu na drobnoziarnisty charakter stałych produktów, w większości procesów hydrometalurgicznych, najczęściej tą metodą wzbogacania może być flotacja. Stałe produkty procesów przeróbki chemicznej surowców mineralnych, np. kwaśnego ługowania, prawdopodobnie będą się istotnie różniły właściwościami powierzchniowymi od naturalnych, nie poddawanych intensywnej obróbce chemicznej składników przerabianego materiału. Takim właśnie przypadkiem jest proces ługowania, będący przedmiotem tej rozprawy. Można przypuszczać, że opis podstaw procesów flotacyjnych, przedstawiony w poprzednich rozdziałach jest także aktualny w stosunku do procesów flotacji stałych produktów operacji hydrometalurgicznych, jednak zagadnienia te nie znalazły jednoznacznego potwierdzenia w publikowanej literaturze. Jak wspomniano we wprowadzeniu do tej rozprawy, temat fizykochemicznych podstaw flotacji stałych pozostałości po procesach ługowania jest bardzo rzadko podejmowany przez badaczy. Dokonując tego przeglądu literatury, autorka natknęła się na kilka tylko prac z tego zakresu. Prace te, dotyczą głównie flotacji produktów hydrometalurgii cynku (siarczanu ołowiu anglezytu i gipsu) oraz flotacji siarki elementarnej powstającej po ługowaniu chalkopirytu. Rashchi i in. (2005) porównywali w warunkach mikroflotacji flotowalność naturalnego anglezytu z flotowalnością pozostałości po ługowaniu koncentratu sfalerytowego kwasem siarkowym, zawierającą głównie siarczan ołowiu. Stosując różne odczynniki z grupy ksantogenianów i aerofloatów stwierdzili, że najkorzystniejsze warunki flotacji stałej pozostałości po ługowaniu, są przy zastosowaniu siarczkowania materiału przed flotacją. Zużycie siarczku sodu było jednak trzykrotnie wyższe, niż w przypadku anglezytu pochodzenia naturalnego. W warunkach procesu w maszynie laboratoryjnej, korzystne było odmycie nadawy wodą oraz jej odmulenie przed flotacją. Inny kierunek badań flotacyjnych opisali Rao i Finch (2006). Badali dwa rodzaje stałych pozostałości po ługowaniu: pozostałość po ługowaniu wodą produktu spiekania sulfatyzującego koncentratu sfalerytowego, zawierającego około 22% Pb w postaci PbSO 4, oraz gipsu stanowiącego pozostałość po neutralizacji w procesie odsiarczania wapieniem. Pierwszy z nich flotowano z myślą o wzbogaceniu do poziomu zawartości > 44%, wymaganej w procesie metalurgii ołowiu, drugi we flotacji odwrotnej w celu usunięcia zanieczyszczeń metalicz- 19

20 Wpływ kwaśnego ługowania na flotację rud siarczkowych nych z gipsu i spełnienia wymagań wsadu przy produkcji nawozów mineralnych. Oba materiały dodatkowo ługowano kwasem siarkowym dla usunięcia rozpuszczalnych zanieczyszczeń. Flotację PbSO 4 prowadzono z użyciem kolektorów kationowych i nie udało się znacząco podnieść zawartości Pb w badanym materiale. Flotacje odwrotną zanieczyszczeń żelazistych gipsu prowadzono z użyciem kwasów tłuszczowych oraz sulfonianów. Stosując odczynnik typu sulfonianu, osiągnięto wymaganą jakość produktu komorowego <2% Fe z uzyskiem CaSO 4 rzędu 75%. W trakcie wielu procesów hydrometalurgicznych wytrąca się siarka elementarna, jako nowa faza, która traktowana jako składnik użyteczny, może być selektywnie separowana w postaci koncentratu flotacyjnego. Lin (2003) opisuje problemy związane z pozyskiwaniem takiej pozostałości po ługowaniu chlorkowym koncentratu chalkopirytowego. Wytrącająca się w procesie siarka elementarna o uziarnieniu 5-10 μm, w procesie chlorkowym stanowić może ponad 50% masy stałej pozostałości po ługowaniu i ma tendencję do aglomerowania się oraz okludowania pozostałych w zawiesinie ziarn, w tym ziarn chalkopirytu. Cytowany autor proponuje flotację zdyspergowanej szkłem wodnym zawiesiny z niewielką ilością nafty (10-20 g/mg) jako zbieracza gwarantującego otrzymanie koncentratu zawierającego 90% S, przy uzysku siarki ponad 90%. Odpad flotacyjny zawierający resztkowe nieprzereagowane ziarna chalkopirytu poddaje się flotacji ksantogenianem, skąd produkt pianowy zawracany jest do operacji ługowania chlorkowego. Otrzymane koncentraty siarki wymagają usunięcia obecnych w nich selenu i telluru, co proponuje się dokonać drogą ekstrakcji w rozpuszczalnikach organicznych. Pomimo niskiej ceny rynkowej siarki elementarnej, pochodzącej głównie z procesów odsiarczania ropy naftowej i gazu ziemnego, problem utylizacji siarki elementarnej ze stałej pozostałości po procesach hydrometalurgicznych, staje się ważny z powodu wzrostu udziału metod hydrometalurgicznych w światowej produkcji metali nieżelaznych. Bardzo ważnym i trudnym problemem jest odzysk niektórych metali towarzyszących rudom metali nieżelaznych, które pozyskuje się metodami hydrometalurgicznymi. Na przykład towarzyszące miedzi srebro, strukturalnie związane z minerałami miedzi, w wyniku ługowania kwasem siarkowym pozostaje w stałych produktach ługowania w postaci nowo wytworzonej fazy stałej. Opracowując technologię kwaśnego ługowania koncentratów miedziowych z rud LGOM, z takim problemem spotkali się Łętowski i in. (1979). W opatentowanym wynalazku, Łętowski i in. (1982) proponują flotować kwaśną zawiesinę stałej pozostałości po ługowaniu, w wyniku czego do produktu pianowego przechodzą nośniki takich metali jak: srebro, miedź, wanad, nikiel, a w produkcie komorowym pozostaje siarczek ołowiu. Produkt 20

21 Emilia Zarudzka pianowy poddaje się spalaniu w nadmiarze tlenu, a następnie odzyskuje się srebro, miedź i wanad, jak podano w patencie, znanymi sposobami. 2. Fizykochemiczne właściwości minerałów siarczkowych 2.1. Wpływ ph na flotajcę minerałów siarczkowych Jednym z decydujących czynników wpływających na przebieg procesów flotacji jest ph środowiska. Jony H + i OH aktywnie oddziaływują z powierzchnią wielu minerałów, zarówno w obecności jak i braku kolektorów flotacyjnych oraz decydują o możliwości sorpcji kolektorów na tej powierzchni. W procesach łączących metody chemiczne z flotacją, zwłaszcza wykorzystujące operacje ługowania nieutleniającego rud siarczkowych kwasem siarkowym, regulacja i kontrola ph zawiesiny flotacyjnej jest szczególnym problemem. Rejestracja ph jest praktycznie jedynym parametrem umożliwiającym kontrolę zarówno bezpiecznego przebiegu ługowania, jak i selektywności flotacji minerałów siarczkowych. Odczyn ph zawiesiny flotacyjnej reguluje się odpowiednimi odczynnikami chemicznymi. W celu zwiększenia wartości ph najczęściej stosuje się wodorotlenek wapnia i inne wodorotlenki oraz rozpuszczalne węglany, natomiast dla zmniejszenia ph wykorzystywany jest najczęściej kwas siarkowy. Regulowanie wartości ph jest istotne nie tylko do przeprowadzenia flotacji, ale także dla selektywnej flotacji minerałów mających podobne właściwości powierzchniowe. Na rys pokazano związek pomiędzy krytycznym stężeniem dietyloditiofosforanu sodowego jako kolektorem a krytyczną wartością ph dla pirytu, galeny i chalkopirytu. Teoretycznie, jako przykład można podać zastosowanie kolektora o stężeniu 50 mg/dm 3, który przy wartościach ph 8,5 umożliwia wyflotowanie chalkopirytu. Zmniejszając natomiast ph do 6,0, może zostać wydzielony piryt z zawiesiny zawierającej galenę (Wark i Cox 1934) przez flotację galeny. 21

22 Wpływ kwaśnego ługowania na flotację rud siarczkowych Rys Krzywa krytycznego ph dla flotacji wybranych minerałów siarczkowych w obecności ditiofosforanu jako kolektora (Wark i Cox 1934) Z badań przeprowadzonych przez Ekmekci i Demirela (1997) w mikroflotowniku Hallimonda wynika, że uzysk pirytu maleje wraz ze wzrostem ph, najmniejszy uzysk tego minerału zaobserwowano pomiędzy wartościami ph 9,2 a 11,0. W przeciwieństwie do pirytu, chalkopiryt wykazuje silną kolektorową flotację w szerokim zakresie ph. Rys Wpływ ph na flotację chalkozynu w obecności ksantogenianu butylowego (Drzymała 2001) Na wzbogacalność minerałów siarczkowych ma wpływ ph poprzez zmianę wartości kąta zwilżania. Jony hydroniowe (H + ) i hydroksylowe (OH - ), które regulują kwasowość i zasadowość zawiesiny flotacyjnej, mogą spełniać rolę najprostszych depresorów. Jony te konkurują z jonami kolektora o miejsce na powierzchni minerału (Drzymała 2001). Na rys pokazano wykres opisujący wpływ ph na flotację chalkozynu w obecności ksantogenianu butylowego, podany przez Drzymałę (2001). Z rysunku tego wynika, że minerał ten flotuje 22

23 Emilia Zarudzka tylko w określonym zakresie ph (od 5 do 11). Przy niskich wartościach ph, czyli dużym stężeniu jonów hydroniowych (poniżej 4) i zbyt wysokim stężeniu jonów hydroksylowych (powyżej 11) następuje zanik flotacji chalkozynu Wpływ potencjału redox na flotajcę minerałów siarczkowych Potencjał redox zawiesiny jest kluczowym parametrem we flotacji minerałów siarczkowych. Wynika to z półprzewodnikowego charakteru kruszców i elektrochemicznego mechanizmu wiązania kolektorów z powierzchnią minerałów siarczkowych. Wiązanie to, a więc i flotowalność, obserwowane są powyżej określonej wartości potencjału. Potencjał redox (E h ) zawiesiny flotacyjnej zależy od obecności indywiduów chemicznych, utleniaczy lub reduktorów, zdolnych do wymiany elektronów. Adsorpcja zbieracza na powierzchni minerałów siarczkowych, które ulegają reakcjom redox, zachodzi przy odpowiednim potencjale elektrochemicznym, zatem wymagana jest obecność utleniacza lub reduktora. Tlen obecny w roztworach wodnych wpływa na wzrost E h zawiesin flotacyjnych. Potencjał redox takiej zawiesiny, jeżeli zachodzi reakcja powiązana stechiometrycznie z jonami OH - lub H +, rośnie wraz ze spadkiem ph i wraz ze wzrostem stężenia rozpuszczonego tlenu. Po dodaniu odczynnika zbierającego do zawiesiny flotacyjnej potencjał maleje, co jest dowodem zachodzącego wiązania kolektora z powierzchnią minerału siarczkowego. Katodowej redukcji tlenu towarzyszy anodowe utworzenie warstewki hydrofobowej produktu ksantogenianu metalu lub diksantogenu. W procesie flotacji najczęściej używaną fazą gazową jest powietrze, w którym tlen decyduje o flotacji minerałów siarczkowych. Należy zwrócić uwagę, że tlen może powodować wysokie zużycie odczynników, ale jednocześnie spełnia ważną rolę w reakcji pomiędzy ksantogenianem a powierzchnią minerałów siarczkowych (Yuan i in. 1996). Na powierzchni minerałów miedzionośnych redukcja zaadsorbowanego tlenu zachodzi z różną szybkością. Tlen najszybciej adsorbuje się na pirycie i galenie, wolniej na chalkopirycie a najsłabiej na kwarcu. Tlen jest najbardziej aktywnym gazem w porównaniu np. z azotem i ditlenkiem węgla, dlatego w dużym stopniu wpływa na właściwości minerałów (Yuan i in., 1996). Na rys przedstawiono wpływ potencjału na flotowalność niektórych siarczków (Richardson i Walker 1985). Z badań cytowanych autorów prowadzonych w mikroflotowniku, wynika ścisła zależność pomiędzy uzyskiem różnych minerałów siarczkowych a potencjałem. Za pomocą przyłożonego potencjału elektrycznego, mającego kontakt z minerałami, można wpływać na flotację minerałów siarczkowych. Opisywane badania flotacyjne wykonano z użyciem ksantogenianu etylu, o stężeniu 1, mol/dm 3, przy stałej 23

24 Wpływ kwaśnego ługowania na flotację rud siarczkowych wartości ph 9,2, którą zapewniono przez boranowy bufor, w zakresie potencjału od -0,5 V do+0,2 V. Wartości potencjału mierzono za pomocą elektrody platynowej względem elektrody kalomelowej (NEK). W zakresie potencjału od -0,4 do +0,1 V, możliwe jest wyflotowanie chalkozynu, bornitu, chalkopirytu oraz pirytu. Ponadto z rysunku widać, że poszczególne minerały wykazują dobrą flotowalność w charakterystycznym zakresie potencjału. Przy potencjale poniżej -0,3 V możliwa jest flotacja tylko chalkozynu (Cu 2 S). Prawdopodobnie, jeśli flotacja będzie prowadzona poniżej +0,1 V, możliwe jest oddzielenie pirytu (Fe 2 S) z mieszaniny pozostałych minerałów. Cytowani autorzy wykazali, że tylko przy określonej wartości potencjału można wyflotować minerały siarczkowe. Uzysk minerałów siarczkowych, % Potencjał redox, V (NEK) Rys Zależność uzysku flotowanych osobno minerałów siarczkowych od wartości potencjału. Potencjał wyrażono względem elektrody kalomelowej (NEK) (Richardson i Walker 1985) Guy i Trahar (1985) również wykazali, że flotacja minerałów siarczkowych zależy od potencjału redox, środowiska mielenia (zakresu ph) oraz od odczynników flotacyjnych. Potencjał redox regulowano za pomocą ditionianu sodu (Na 2 S 2 O 6 ), stosując go jako czynnik redukujący potencjał, natomiast wodę utlenioną i chloran sodu (NaClO 3 ) użyto do podwyższenia potencjału. Cytowani autorzy w swoich badaniach udowodnili, że minerały siarczkowe, a zwłaszcza chalkopiryt, przy ph od 8 do 11, flotują powyżej wartości potencjału +0,1 V (SHE standardowa elektroda wodorowa). Poniżej wartości potencjału -0,1 V (SHE) minerały te nie flotują, a brak flotowalności można wytłumaczyć zbyt niskim potencjałem dla procesu sorpcji kolektora. Wpływ potencjału redox na flotację chalkozynu przy wartości ph 8 11 oraz stężenie kolektora w początkowym etapie procesu 4, M, przed- 24

25 Emilia Zarudzka stawiono na rys Największe uzyski tego minerału otrzymano w zakresie potencjału redox od -0,2 do +0,3 V. Rys Wpływ potencjału redox na flotację chalkozynu w obecności ksantogenianu etylo-potasowego i spieniacza (PPG 400) (Guy i Trahar 1985) Zależność pomiędzy potencjałem redox a ph przedstawia się na diagramach E h -ph, zwanych także diagramami Pourbaix (Łętowski 1975, Pourbaix 1978). Diagramy te zawierają obszary termodynamicznej stabilności różnych form chemicznych i pozwalają określić warunki różnych reakcji chemicznych. Na podstawie diagramów Pourbaix można też przewidzieć takie warunki E h i ph, aby na powierzchni ziarn mineralnych mogły pojawiać się nowe związki chemiczne (fazy, związki powierzchniowe), które wpływają na flotację. W analogii do wykresów Pourbaix, Łętowski (1975) sporządził dogodny do rozważań diagram E h -ph dla układu Cu-H 2 O. Taki przykładowy diagram dla układu Cu-H 2 O pokazano na rys

26 Wpływ kwaśnego ługowania na flotację rud siarczkowych Rys Diagram E-pH dla układu Cu-H 2 O w temperaturze 25 o C (298K). Diagram sporządzono z uwzględnieniem reakcji: Cu = Cu e (E = 0, ,02951 log[cu 2+ ]) Cu 2 O + 2H + = 2 Cu 2+ + H 2 O + 2e (E = 0, ,0591pH + 0,0591 log[cu 2+ ]) Cu 2+ + H 2 O = CuO + 2H + (ph = 3,44 0,5log[Cu 2+ ]) Cu 2 O + H 2 O = 2CuO + 2H + + 2e (E = 0,747 0,0591pH) 2Cu + H 2 O = Cu 2 O + 2H + + 2e (E = 0,471 0,0591pH) (Łętowski 1975) Na diagramach równowag elektrochemicznych E h -ph można określić obszary, w których miedź rozpuszcza się oraz obszary, w których miedź czy też jej tlenki są trwałe. W obszarze trwałości jonów Cu 2+ w roztworze, miedź może się rozpuszczać elektrochemicznie lub chemicznie, aż do wskazanego na wykresie stężenia równowagowego. Rozpuszczanie takie nazywa się korozją lub ługowaniem. W obszarze tym dominują głównie jony miedzi (Lekki 1997). Dla potencjałów bardziej ujemnych, w obszarze trwałości miedzi, metal nie koroduje lub wydzieli się z roztworu w formie metalicznej. Lekki (1996, 1997, 2006), zakładając stężenie jonów metalu równe 10-6 kmol/m 3 dla korozji metalu, skonstruował diagramy równowag dla minerałów siarczkowych i wyznaczył dla nich obszary: korozji, pasywacji i odporności. Obszar korozji jest obszarem dominacji jonów metalu. W obszarze pasywacji dominuje wodorotlenek metalu, natomiast w obszarze odporności dominują minerały siarczkowe. W obszarze odporności nie zachodzą żadne reakcje elektrochemiczne, ponieważ na krzywych kinetyki procesu (woltamperometrycznych) cytowany autor nie zaobserwował prądu wymiany. Zarówno w obszarze korozji jak i pasywacji, powierzchnia minerałów siarczkowych może zostać zhydrofobizowana przez produkty reakcji korozji. Ilość wydzielonych substancji oraz ich stosunek na powierzchni minerału siarczkowego wpływa na hydrofobowość utlenionego minerału. Na podstawie diagramów E h - ph możemy wyznaczyć obszary, w których proces flotacji może przebiegać najkorzystniej. 26